CN107462317A

CN107462317A - 一种复杂场景下的水面目标辐射噪声模拟方法

Info

Publication number: CN107462317A
Application number: CN201610389717.9A
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 陈新华; 方华; 鲍习中
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-12
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: CN107462317B

Abstract

本发明涉及一种复杂环境下的水面目标噪声信号模拟方法，包括：首先，根据所要模拟的辐射噪声信号及环境特点，输入信号模拟所需参数的初始值；其次，根据环境特性设定频率响应滤波器；然后，利用噪声信号模拟所需参数的初始值以及频率响应滤波器分别生成水面目标的线谱信号、连续谱信号和环境噪声信号；最后将生成的线谱信号、连续谱信号和环境噪声信号进行叠加，得到复杂环境下的水面目标辐射噪声。

Description

一种复杂场景下的水面目标辐射噪声模拟方法

技术领域

本发明涉及水声信号处理分析领域，特别涉及复杂环境下的水面目标噪声信号模拟方法。

背景技术

水面目标在水上航行时往往会在水下产生大量辐射噪声信号，这些噪声主要来源于水面目标的各种机械和推进器，其大体可分为机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声等。它们是水下声探测设备的唯一信息来源，利用该信息可以对水面目标进行探测、识别、定位和跟踪等多项任务。因此，对水面目标辐射噪声信号的研究引起了科研人员的广泛关注。在水面目标辐射噪声信号研究中，由于水面目标本身的种类繁多，型号多样，且目标辐射噪声随海情、航速、工况的不同而变化，利用真实目标发出研究所需要的辐射噪声并不可行。因此，需要借助计算机和信号处理等技术模拟科研工作中所需要的水面目标辐射噪声，针对该项课题科研人员尝试多种方法以解决水面目标辐射噪声模拟问题。

近年来，水声信号处理与计算机技术不断结合，通过研究和分析水面目标的声学特性和水下环境特性，科研人员可以高逼真地模拟出水面目标辐射噪声，模拟出的辐射噪声信号广泛应用于水面目标的检测、定位、识别等研究，从而可以简单方便地对各种声学系统进行测试和评价，在水声工程中有着巨大的应用前景。

然而，通过对水面目标辐射噪声模拟的研究发现，目前的辐射噪声模拟方法与实际水面目标所产生的噪声相比仍然存在一些问题。例如，在噪声模拟中，绝大部分的方法并没有考虑信噪比可调的情况，而这种情况通常由于水面目标的工况或是环境噪声的改变而经常发生，因此现有信号模拟技术在通用性和全面性等方面存在一定差距。此外，在水面目标模拟中，关于目标与接收信号设备距离并没有与辐射噪声的模拟建立联系，从而导致模拟出的噪声信号并不能全面反映出真实复杂环境下水面目标的辐射噪声，从而影响了水面目标检测、识别、定位等技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有水面目标辐射噪声模拟技术在全面性和真实性方面的缺陷，从而提出一种更全面、更真实的复杂场景下的水面目标辐射噪声模拟方法

为了实现上述目的，本发明提供了一种复杂环境下的水面目标噪声信号模拟方法，包括：

首先，根据所要模拟的辐射噪声信号及环境特点，输入信号模拟所需参数的初始值；其次，根据环境特性设定频率响应滤波器；然后，利用噪声信号模拟所需参数的初始值以及频率响应滤波器分别生成水面目标的线谱信号、连续谱信号和环境噪声信号；最后将生成的线谱信号、连续谱信号和环境噪声信号进行叠加，得到复杂环境下的水面目标辐射噪声。

上述技术方案中，该方法具体包括：

步骤1、根据所要模拟的辐射噪声信号及环境特点，输入信号模拟所需参数的初始值；其中，信号模拟所需参数包括：水下声速c，水面目标距离与接收设备间距离m，水面目标的线谱数量N、频率f_i、初始相位和谱级SL_l，连续谱信号的谱级SL_b，环境噪声的起始频率f_s、截止频率f_e、1kHz处谱级NL_1kHz；

步骤2、根据环境特性设定用于模拟连续谱噪声信号的频率响应滤波器，该滤波器的频率响应满足高于谱峰频率时，噪声强度按照每倍频程6dB衰减，低于谱峰频率时衰减为零；

步骤3、生成宽带白噪声信号副本；

步骤4、根据步骤1设置的噪声信号参数初始值模拟水面目标的线谱噪声信号s(t)，其线谱信号表示为：

其中s_i(t)为单个线谱信号，f_i和分别为线谱信号频率和初始相位，为线谱信号的幅值，SL_a为接收端水声信号的线谱谱级，其表达式为：

SL_a＝SL_l+MP-TL；

MP为接收设备固定增益，其是一常数值，TL为水面目标信号到接收设备能量损失，表示为：

TL＝20*log(m)+60dB；

m为水面目标与接收设备间距离；

步骤5、将步骤3生成宽带白噪声信号通过步骤2所构建的频率响应滤波器，生成水面目标连续谱噪声信号；

步骤6、求取环境噪声信号幅值，然后将步骤3生成的宽带白噪声信号通过步骤2所构建的滤波器生成环境噪声信号副本；之后在环境噪声信号副本的基础上，依据计算得知的环境噪声信号幅值来控制环境噪声的强弱，最终生成环境噪声信号；

步骤7、分别将步骤4生成的线谱信号、步骤5生成的连续谱信号和步骤6生成的环境噪声信号进行叠加，得到复杂环境下的水面目标辐射噪声，计算式如下：

S_rad(t)＝s(t)+s_W(t)+s_N(t)；

其中S_rad(t)为模拟出的水面目标辐射噪声信号，s(t)为辐射噪声中的线谱信号分量，s_W(t)为辐射噪声中的连续谱信号分量，s_N(t)为辐射噪声中的环境噪声信号分量；

上述步骤4、步骤5、步骤6没有严格的先后顺序，能够任意选择执行其中一个步骤，也能同时执行三个步骤。

上述技术方案中，所述步骤6进一步包括：

步骤6-1、依据1KHz处噪声谱级计算得到100Hz处噪声谱级为：

NL_100Hz＝NL_1kHz+20dB；

步骤6-2、计算噪声随频率增长而能量衰减段的几何中心频点：

f_c＝sqrt(100*f_e)；

步骤6-3、计算噪声随频率增长而能量衰减段几何中心频点的谱级，其中衰减斜率为每倍频程6dB衰减；因此，几何中心频点的谱级为：

步骤6-4、分别计算噪声随频率增长能量增加段NL₁和随频率增长而能量衰减段NL₂的噪声信号谱级：

NL₁＝NL_100Hz+20*log(100-f_s)

NL₂＝NL_fc+20*log(f_e-100)；

步骤6-5、计算环境噪声谱级为：

NL_all＝NL₁+NL₂；

步骤6-6、计算求得环境噪声信号幅值为：

其中MP为接收设备的固定增益。

本发明的优点在于：

本发明所述方法在水面目标辐射噪声模拟时，充分考虑了复杂水下环境中环境噪声时常发生改变的情况，通过改变谱级调整环境噪声强弱，使得本发明在水面目标噪声模拟时更为全面；此外，在水面目标噪声模拟时，本发明更加充分考虑到目标的动态特性，建立水面目标距离与辐射噪声强度关系，使得水面目标噪声模拟更加真实。

附图说明

图1是本发明的水面目标辐射噪声模拟方法流程图。

图2是具有三个线谱的水面目标辐射噪声时域示意图。

图3是具有三个线谱的水面目标辐射噪声频域示意图。

图4是水面目标与接收设备距离增大后的辐射噪声频域示意图m＝10海里。

图5为水面目标连续谱噪声的时域信号。

图6为水面目标连续谱噪声的频域信号。

图7为提高水下环境噪声谱级后水面目标辐射噪声频域示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

水面目标在水上航行或作业时，推进器和各种机械设备会产生大量辐射噪声并向水中辐射出去，现有技术通过获取、处理及分析水面目标辐射噪声，实现对水面目标的检测、识别、定位等任务。考虑到辐射噪声是多种辐射源的综合效应，其显著特点是声源繁多、频谱成分复杂，实际获取信号时十分不便。因此，本发明将借助计算机和信号处理等技术模拟科研工作中所需要的水面目标辐射噪声，使得模拟出的水面目标辐射噪声具有同实际目标在复杂环境下近似的声学特性。

水面目标辐射噪声来源于多种辐射源，其产生噪声的机理各不相同，辐射噪声的谱线形状也比较复杂，通过测量分析得知，辐射噪声的谱主要表现为线谱和连续谱的叠加。其中，线谱主要分布在低频部分，不同的水面目标具有不同的线谱频率和幅值，利用线谱特性可对水面目标进行检测。连续谱噪声在低频段存在谱峰，峰值通常在100Hz～1000Hz范围内，当频率高于谱峰时谱级随着频率的增高大约以6dB/倍频程的斜率下降。

综上所述，在水面目标辐射噪声信号中线谱信号和连续谱信号在多数情况下是主要成分。此外，目标噪声辐射时通常受到环境噪声干扰，且环境噪声通常复杂多变。因此，在水面目标辐射噪声模拟时，不仅需要分别考虑对水面目标的线谱信号和连续谱信号进行模拟，而且还需要模拟复杂的环境噪声。本发明的具体实施流程见图1，下面结合附图，对本发明的水面目标噪声信号模拟方法作进一步具体描述。

步骤1.首先，对水面目标噪声进行模拟时，根据所要模拟的辐射噪声信号及环境特点，输入信号模拟所需参数的初始值。

信号模拟所需参数包括：水下声速c，水面目标距离与接收设备间距离m，水面目标的线谱数量N、频率f_i、初始相位和谱级SL_l，连续谱信号的谱级SL_b，环境噪声的起始频率f_s、截止频率f_e、1kHz处谱级NL_1kHz；参数初始值的设定依据所要模拟辐射噪声信号及环境特点的要求而定，参数初始值的改变表示所要模拟水面辐射噪声变化。水面目标噪声模拟参数初始值的具体设置，是本领域研究人员所公知，在此不做重复说明。

步骤2.设置水面目标噪声模拟参数初始值后，根据环境特性设定频率响应滤波器，该滤波器用于模拟连续谱噪声信号。

在滤波器设置中，考虑到水面目标辐射噪声信号在水中传播的特性，该滤波器频率响函数的频率响应满足高于谱峰频率时，噪声强度按照每倍频程6dB衰减，低于谱峰频率时衰减为零。通过统计发现这个谱峰通常在100～1000Hz内，本发明中水面目标辐射噪声信号谱峰频率设置在100Hz。其中倍频程也称为1倍频程，通常由下式定义：

f₂/f₁＝2ⁿ (1)

式中n＝1，f₂截止频率，f₁起始频率；也就是说，当n等于多少时称之为n倍频程。

步骤3.生成宽带白噪声信号副本。

宽带白噪声信号副本主要用于本发明中连续谱信号和环境噪声信号的生成。宽带白噪声信号生成目前有很多种实现方法，在本发明中采用高斯分布随机序列法，所生成的宽带白噪声信号副本即为高斯白噪声信号副本。

步骤4.根据步骤1设置的噪声信号初始值模拟水面目标的线谱噪声信号s(t)，其线谱信号表示为：

SL_a＝SL_l+MP-TL (3)

TL＝20*log(m)+60dB (4)

m为水面目标与接收设备间距离。

如图所示，图2为模拟生成的水面目标辐射噪声线谱的时域信号，图3为模拟生成的水面目标辐射噪声线谱的频域信号。其中水面目标辐射噪声线谱中包括三个线谱，m＝3海里。从上述式(4)可以看出，水面目标信号到接收设备能量损失与水面目标到接收设备间的距离有关，结合式(2)和式(3)，当水面目标距离与接收设备间距离变大时，如图4所示，模拟得到的水面目标辐射噪声信号在各频点的能量相应变小。

步骤5.将步骤3生成宽带白噪声信号通过步骤2所构建的频率响应滤波器，生成水面目标连续谱噪声信号。

通过统计研究得知水面目标连续谱噪声信号主体是宽带随机信号，且其在高频段以每倍频程-6dB衰减。因此，可将步骤3生成宽带白噪声信号通过步骤2所构建的频率响应滤波器，生成水面目标连续谱噪声信号。所生成的水面目标连续谱噪声信号的幅值可通过步骤4的幅值和信号谱级对应公式计算求得。图5为模拟生成的水面目标连续谱噪声的时域信号，图6为模拟生成的水面目标连续谱噪声的频域信号。

步骤6.求取环境噪声信号幅值，进而得到环境噪声信号。

考虑到复杂水下环境中环境噪声时常发生改变，生成环境噪声信号时，需调整环境噪声谱级以对应环境噪声的变化。因此，在本步骤中将首先依据给定环境噪声的截止频率和1KHz处噪声谱级计算求得环境噪声信号幅值，其具体步骤为：

1)依据1KHz处噪声谱级计算得到100Hz处噪声谱级为：

NL_100Hz＝NL_1kHz+20dB (5)

2)计算噪声随频率增长而能量衰减段的几何中心频点：

f_c＝sqrt(100*f_e) (6)

水下环境噪声的截止频率通常在12KHz内，该值为本研究领域技术人员所公知。因此，将环境噪声的截止频率设置为12KHz。

3)计算噪声随频率增长而能量衰减段几何中心频点的谱级，其中衰减斜率为每倍频程6dB衰减。因此，几何中心频点的谱级为：

4)分别计算噪声随频率增长能量增加段NL₁和随频率增长而能量衰减段NL₂的噪声信号谱级：

NL₁＝NL_100Hz+20*log(100-f_s) (8)

NL₂＝NL_fc+20*log(f_e-100) (9)

5)计算环境噪声谱级为：

NL_all＝NL₁+NL₂ (10)

6)最终，可计算求得环境噪声信号幅值为：

其中MP为接收设备的固定增益。

在得到环境噪声信号幅值后，考虑到环境噪声信号是具有一定频谱特性的宽带白噪声。因此，可将步骤3生成宽带白噪声信号通过步骤2所构建的滤波器，生成环境噪声信号副本。之后，在环境噪声信号副本的基础上，依据计算得知的环境噪声信号幅值来控制环境噪声的强弱，最终生成环境噪声信号。

步骤7.分别将步骤4生成的线谱信号、步骤5生成的连续谱信号和步骤6生成的环境噪声信号进行叠加，得到复杂环境下的水面目标辐射噪声：

S_rad(t)＝s(t)+s_W(t)+s_N(t) (12)

其中S_rad(t)为模拟出的水面目标辐射噪声信号，s(t)为辐射噪声中的线谱信号分量，s_W(t)为辐射噪声中的连续谱信号分量，s_N(t)为辐射噪声中的环境噪声信号分量。

最终，根据所要模拟水面目标辐射噪声的要求，改变环境噪声、水面目标信号的谱级，依据上述公式模拟水面目标辐射噪声。

如图7所示当水下环境复杂时可调整环境噪声谱级，水面目标辐射噪声信噪比也相应改变。

需要加以说明的是本发明中步骤4、5、6并没有严格的先后顺序，也就是说，可以任意选择执行其中一个步骤，也可同时执行三个步骤。

通过本发明所述方法，可以得到：

1、在水面目标辐射噪声模拟时，复杂水下环境中环境噪声时常发生改变，本发明不仅可以变化线谱噪声和连续谱噪声，还可调整环境噪声谱级以对应环境噪声，使得在水面目标噪声模拟中模拟的复杂环境噪声更为全面。

2、本发明更加充分考虑到目标的动态特性，建立计算水面目标距离与辐射噪声强度关系(即式4)，模拟出的水面目标辐射噪声基本符合实际水面目标运动时所辐射的噪声信号。本发明适合真实水面目标噪声模拟。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种复杂环境下的水面目标噪声信号模拟方法，包括：

2.根据权利要求1所述的水面目标噪声信号模拟方法，其特征在于，该方法具体包括：

步骤3、生成宽带白噪声信号副本；

SL_a＝SL_l+MP-TL；

TL＝20*log(m)+60dB；

m为水面目标与接收设备间距离；

S_rad(t)＝s(t)+s_W(t)+s_N(t)；

3.根据权利要求2所述的水面目标噪声信号模拟方法，其特征在于，所述步骤6进一步包括：

步骤6-1、依据1KHz处噪声谱级计算得到100Hz处噪声谱级为：

NL_100Hz＝NL_1kHz+20dB；

f_c＝sqrt(100*f_e)；

NL₁＝NL_100Hz+20*log(100-f_s)

步骤6-5、计算环境噪声谱级为：

NL_all＝NL₁+NL₂；

步骤6-6、计算求得环境噪声信号幅值为：

其中MP为接收设备的固定增益。